热压罐成型和VARI成型工艺

潘利剑,航空复合材料结构制造基本原理第二课热压罐成型和VARI成型工艺,热压罐成型,真空辅助成型,内容提要,热压罐成型,热压罐成型工艺,热压罐成型工艺,第一步：预浸料制备（纤维浸润树脂）,手工下料自动下料：拖刀、高频振荡刀、超声刀,第二步：预浸料裁剪（根据结构几何尺寸）,热压罐成型工艺,第三步：预浸料铺放,手工铺放：适合小型复杂结构，工程中需激光投影定位，过程中需要预压实自动铺放：自动铺带、自动铺丝适合大型相对简单结构,热压罐成型工艺,第三步：预浸料铺放,热压罐成型工艺,优点适合大型结构件铺层大幅度节省时间、劳力，速度较手工提高10倍节省原材料，废品率仅3-5%(手工25-30%)纤维铺贴角度更准，重复性好应用实例A380中央翼盒、尾翼、襟翼，B787机翼蒙皮,ATL:AutomatedTapeLaying,第三步：预浸料铺放,热压罐成型工艺,优点(与ATL相比）适合于大曲面的制件应用实例B787机身，A380后机身非承压部分,AFP:AutomatedFiberPlacement,自动铺丝视频,第三步：预浸料铺放,热压罐成型工艺,真空袋透气毡有孔隔离膜1吸胶毡有孔隔离膜2脱模布预浸料脱模布脱模剂模具,抽真空,密封胶带,第四步：封装,热压罐成型工艺,真空袋：提供真空环境透气毡：保持真空袋内均一的真空压力（分压）有孔隔离膜1：防止树脂流动至透气毡，但是需要小分子气体能够通过至透气毡吸胶毡：吸收被挤出而过剩的树脂有孔隔离膜2：让树脂和小分子气体能够通过脱模布：让复合材料制品表面具有布纹便于后续粘接或喷漆工序，同时脱模布应能够从制件表面剥离脱模剂：防止树脂粘住模具表面,热压罐成型工艺,热压罐成型工艺,热压罐固化工艺的设定，主要包括温度，压力，时间，真空度，升温速率等参数设定，不同树脂体系，固化工艺不同,真空压力,外加压力,温度,时间,第五步：热压罐内固化成型,树脂粘度变化,热压罐成型工艺,用于制造B787机身筒体的热压罐(23.29.1米),热压罐成型工艺,选材原则足够的刚度、强度以保证不变形良好的热传导性和热稳定性与构件相匹配的热膨胀系数易于成型和加工，低成本,分层由于层间应力或制造缺陷引起的层与层之间的分离，即层间的脱胶或开裂。控制方式设计和工艺上减小残余应力提高树脂韧性,分层的显微照片,变形复合材料制品与设计标准不符，外形曲率等参量发生变化的一种缺陷形式控制方式铺层设计(角度、比例、顺序)工艺优化(固化温度、降温速度)模具种类(材料类型、结构形式)强迫矫正(加强筋、施加应力),孔隙复合材料成型过程中形成的微观小孔气孔孔隙长大到一定程度，成宏观状态出现的一种缺陷形式,孔隙,气孔,脱粘两层复合材料胶接界面之间发生大面积的脱开现象富脂与贫胶复合材料制件中部分区域树脂含量过高，称为富脂；部分区域树脂含量过低，称为贫胶。夹杂制造过程中无意间带进制件中的杂质，如颗粒、碎片、膜片等,共固化(Co-curing)两个或两个以上的零件经一次固化成型而制成一个整体制件的工艺方法二次胶接(SecondaryBonding)两个或多个预固化的复合材料零件通过胶接而连在一起，其间仅有的化学或热的反应是胶膜的固化（Boeing定义)共胶接(Co-bonding)把一个或多个已经固化成型而另一个或多个尚未固化的零件通过胶粘剂(一般为胶膜）在一次固化中固化并胶接成一个整体制件的工艺方法，是共固化与二次胶接的组合。,减少零件数目和连接件数目易于实现翼身融合体布局增加机体表面光滑完整程度避免钻孔，减少构件加工损伤,A340垂直安定面：零件数2000件100件A310、A330垂直安定面：零件数2000件20件,平尾工艺方案-整体共固化,平尾外伸盒端工艺方案,成型：大件报废，风险增大模具：大而复杂，工装成本上升检测：大型件的无损检测材料：胶粘剂，特殊材料,需要在成型与装配成本之间进行平衡,真空树脂注入成型特点：衍生自RTM工艺基本特点与RTM相同树脂流动由真空压力驱动(与RTM不同)仅需半面模具，另一面为真空袋制品一面光滑低成本工装设备模具通常需要加热以固化树脂生产周期较长机械化，自动化程度低制品力学性能较高，缺陷少适合制造大型，超大型部件,真空辅助工艺,液体成型工艺,大型，超大型壳类部件,液体成型工艺,真空辅助工艺,脱模修整,封装,材料铺放,导入树脂,喷涂胶衣,配树脂,模具清理，脱模剂的涂抹,纤维织物，脱模布，导流网，导流管和真空管,密封胶带，真空袋,连接树脂收集器和真空泵保压，检查气密性,脱泡,按固化工艺固化,1.2VARI成型工艺流程,准备模具,抽真空,2.1VARI工艺对树脂要求,1黏度低，粘度范围：0.1-0.3Pa.s;2足够长时间内黏度不变，有利于浸透、排气;3可在较低温度下完全固化;4固化时无需额外压力，只需真空压力;5具有良好的力学性能，满足结构使用要求;6具有较高的玻璃化转变温度，满足耐热要求。,2.2VARI工艺树脂种类,聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂等。,成本较低，强度和耐热性较差，主要应用于船舶领域。,性能相对较高，主要应用于航空航天领域，风机叶片也大多采用环氧树脂。,2.3VARI树脂低粘度平台（工艺窗口）预报,树脂粘度-温度曲线,树脂粘度-时间曲线,对同一种树脂，通常二者不可兼得,VARI树脂两个重要工艺参数：注胶温度，操作时间,根据具体结构，选择合适的注胶温度，同时满足粘度和工艺操作时间要求,VARI树脂要求：粘度低，操作时间长,最佳交联固化温度范围,起始固化温度,峰值温度,升温速率0/min起始固化温度（凝胶温度）,升温速率0/min峰值温度（固化温度）,2.4树脂固化特性,不同升温速率下树脂体系的DSC分析,外推法求升温速率为0/min固化起始温度和峰值温度,树脂固化温度,2.4树脂固化特性,等温DSC扫描,固化时间,2.5NCF织物,NCF（non-crimpfabrics）织物是利用先进的经编技术将连续的长纤维经多层平直铺放并进行Z向缝合而形成的无卷曲的定向结构织物。,NCF织物,普通机织物,2.5NCF织物,（1）更好的拉伸性能；（3）更高的损伤容限；,与普通织物结构上的差别：NCF织物的纱线是伸直而相互平行的，而普通织物的线是卷曲的。NCF织物为多层结构，目前最多可达八层，而普通织物一般只有两层。NCF织物各层之间用缝线线缝合，纱线不容易移动，而普通织物的纱线容易滑动。,与普通织物性能上的差别,（2）更高的抗疲劳性能；（4）更好的浸润性，更高的工作效率。,3.1VARI成型的主要问题,出现干斑、干区；（局部渗透率变化、流道效应等）,夹杂气泡；（漏气、树脂脱泡不干净，小分子挥发等）,厚度或纤维体积含量不均匀；（压力梯度等）,1,4,3,2,纤维体积含量低。（固化压力低，不超过一个大气压力等）,1采用粘度低、力学性能好的树脂;2树脂粘度应在0.10.3Pas范围内，便于流动和渗透;3足够长时间内树脂粘度不超出0.3Pas;4树脂对纤维浸润角小于8;5足够的真空度，真空度不低于-97KPa;6选择合适的导流介质，利于树脂流动和渗透;7保证良好的密封，防止空气进入体系而产生气泡;8合理的流道设计，避免缺陷的产生。,3.2VARI成型的技术要求,4.1VARI成型厚度影响因素,1,2,3,织物所受的净压力,织物的压缩特性,织物与树脂的相互作用,VARI成型厚度,4.2VARI成型压力分析,为总压力（大气压力，且保持不变）,树脂压力,预成型体所受的净压力,树脂吸注前,树脂吸注过程中,树脂吸注完,织物处于干态，净压力为大力,树脂浸入后，树脂承担一部分压力，织物净压力减小,树脂管关闭，树脂压力减小，织物净压力增大,4.2VARI成型压力分析,4.3VARI成型厚度监测,VARI成型厚度监测装置,涡流传感器,控制与数据采集系统,厚度监测结果,第一阶段：树脂吸注，织物厚度迅速增大,第二阶段持续注胶，厚度基本不变化,第三阶段：注胶结束，关闭树脂管，厚度迅速减小,4.3VARI成型厚度监测,流道设计最VARI工艺的主要部分之一，包括树脂流道和真空管路设计。,合理的流道设计,避免树脂发生干涉以及制件干斑的形成,缩短树脂渗透时间,5.1VARI成型的流道设计,干斑（树脂浸渍不充分的区域）,干区（树脂完全未浸渍的区域）,流道设计不合理，容易形成干班和干区等严重缺陷！,5.1VARI成型的流道设计,为保持树脂凝胶前模腔内的持续真空度，需要连续不断抽真空排出模腔内的气体，由于树脂粘度相对较低，如果真空通道设置不合理，抽气的同时容易将大量的树脂，从而导致制品大面缺胶。,过抽,真空通道设置不合理，容易导致过抽！,5.1VARI成型的流道设计,5.2VARI成型树脂流道设计方式,高渗透介质型,沟槽型,在模具表面上加工导流槽;,将高渗透介质（导流网）铺放在增强体表面，树脂从增强体表面向内部渗透。,在泡沫芯材上开孔或制槽来作为树脂流动的通道;,横向与纵向的混合流动，形成抛物线状树脂流动前锋,两种形式混合,在模具上加工一个或几个主要的沟槽作为进胶的通道，用导流介质将树脂快速分散。,开孔开槽夹芯材料中树脂流动,5VARI成型的流道设计与模拟,5.3VARI成型树脂流道设计原则,1,尽可能缩短树脂流动距离，缩短树脂流动时间，且各流道之间树脂流动距离尽量保持一致；,2,保证树脂流动在树脂的工艺操作时间内完成。,3,流道之间不能发生干涉。但对于复杂结构，如没有更为合适的流道设计方法，可以在干涉区域增加快速通道，保证在干涉区域的树脂通畅。,由于在实际构件的流道设计过程中，往往需要采用多种树脂流道组合，只靠工艺实验很难准确掌握树脂在预成型体中的流动状态，而且还需要消耗大量的人力和原材料。所以，通常采用数值模拟软件模拟树脂流动行为，并对VARI工艺流道进行设计。,5.4VARI成型树脂流动模拟,PAM-RTM,是针对RTM、VARI等液体成型工艺开发的专业三维过程模拟软件,能够方便地模拟出树脂在预成型体内的流动状态、压力分布及充模时间等,可以节约大量的人力和物力,为VARI工艺的流道设计、工艺中瑕疵点的排除起着重要作用,5.4VARI成型树脂流动模拟,上端面,下端面,肋,方案1,方案3,加筋壁板构件,方案1：渗透速度最快，通道干涉。方案2：没有干涉